基于分布式光纤温度传感器的高压电力电缆温度在线监测系统

p＝1
3 高压电力电缆温度信号的处理
信号的采集 与处理单元 完成对 APD 光电 探测 器输出信号的放大、采样和处理，并解调出温度，其 组成见图 2。 3.1 高速数据采集
为了提高分布式光纤测温系统的空间分辨率， 保证高的空间分辨率和高的空间定位准确度， 系统 采用采样速率可高达 250 Msps 的两路 A/D，同步对 Anti-Stokes 和 Stokes 信号进行多次实时采样， 即两 个 A/D 转换器应该同时同步并且独立工作，分别组 成并行的两个信号通道系统。 由于系统的 A/D 处于
Abstract: According to the particularity of the detected signals by distributed optical fiber temperature sensor ， a weak signal detection scheme specially for distributional optical fiber temperature sensor system is presented based on the conventional weak signal detection method. By combining software and hardware， weak signal can be effectively extracted from strong noises to achieve higher signal-to-noise ratio. The components and devices in this scheme are general with lower cost， and the whole detection time is short. Key words: distributed optical fiber temperature sensor； stokes and anti-stokes back-scattering； signal processing；
感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化； 实现真正分布式的测量， 非常适合各种长距离的温 度测量、在线实时监测和火灾报警等。
该系统采用特种感温光缆作探测器， 本身不带 电，具有本质防爆、防雷、防腐蚀、抗电磁干扰等优 点 ，其测量 温 度 分 辨 率 可 以 达 到 0.01 ℃，任 何 微 小 温度变化都会被探测到，测试距离最长可达 30 km， 空间分辨率最小 0.1 m，在相同温度分辨率、测量距 离和空间分辨的前提下，具有最短的测量时间，所以 可实现大型电力电缆设备内部温度实时在线监测。
2009 年 8 月
LD 驱动器
双向耦合器
恒温槽
Raman 散射光
波分复用器
Stokes 光
Anti-Stokes 光
同步控制
ADP ADP
传感光纤 温度场
放大器 放大器
数据采集与存储
PC
图 1 系统结构框图
电流脉冲， 该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的 光脉冲，并注入激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的 光脉冲经过光路耦合器后进入传感光纤。 当激光在 光纤中发生散射后，携带有温度信息的 Raman 后向 散射光回到光路耦合器， 光路耦合器不但可以将发 射的光直接耦合至传感光纤， 而且可以将散射回来 的不同于发射波长的 Raman 散射光耦合至分光器。 分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成， 它们 分 别 滤 出 斯 托 克 斯 （Stokes） 光 和 反 斯 托 克 斯 （Anti-Stokes）光 ，两 路 光 信 号 经 过 接 收 机 时 进 行 光 电转换和放大， 然后由数据采集单元进行高速数据 采样， 转换为数字量， 然后经过进一步的信号处理 （提高信噪比），用于温度的计算。温度处理和图形显 示软件是预装在计算机内的。
data acquisition
0 引言
高压电力电缆运行温度在线监测系统是为了杜 绝电缆沟内各电缆接头处由于温度过高引起火灾事 故而设计的， 它能将电缆沟内各电缆头处的温度及 时准确传送到主控室内， 当被测点温度超过给定报 警值时，系统能及时予以报警，便于处理。
高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响， 传统的测温方法难于或者根本无法得到真实的测试 结果。 而分布式光纤温度传感器与传统的各类温度 传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用光纤作 为传输和传感信号的载体， 有效克服了电力系统中 存在的强电磁干扰； 利用一根光纤为温度信息的传 感和传导介质，可以测量沿光纤长度上的温度变化； 采用先进的 OTDR 技 术 和 Raman 散 射 光 对 温 度 敏
拉 曼 散 射 光 由 Anti-Stokes 光 和 Stokes 光 两 种 不同波长的光组成，前者对温度特别敏感，而后者与 温度关系很小。为消除光源波动和光纤弯曲等影响，
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提高测温准确度，采用 Anti-Stokes 光和 Stokes 光强
度的比值来解调温度信号， 这种传感器的信号处理
一方程，可以用连续求和或者叠代收敛的方法，从而
得到 T（L）。
连续求和方法是当计算第 N 个点的温度时，把
式（2）的积分用第 0 点到第 N-1 点的 Raman 信号的
损耗 系数差 αd（T）的和 来 表 示 ，这 样 易 于 软 件 编 程 处理，其公式为
T（L）＝
hcμθ
N－1
（3）
Σ hcμ－kθln｛R（T）exp［ αd（T（τp））δx］/R（θ）｝
系统中，在 ADC 与 PC 之间加入高速先入先出 队 列 芯 片 （FIFO） 进 行 数 据 缓 冲 ， 由 可 编 程 逻 辑 器 件 （CPLD）控制 A/D 向 FIFO 的数据写入。 ADC 在外部 时钟控制下 以一定 的 速 率 采 样 并 输 出 数 据 ， CPLD 根据激光脉冲的同步信号将每个测量点的采样数据 依次写入 FIFO。 当最后一个测量点的采样数据写入 FIFO 后即停止写入，直到下一个激光脉冲同步信号 到来，以保证数据的准确性。 3.2 数据存贮与硬件接口
该分布式光纤温度传感器系统的数据采集中， A/D 转换时间在 4 ns 以内， 因而传统的数据存贮采 集方式是远跟不上数据采集速率的， 为弥补这种差 距，系统采用将 3 片 INTEL 公司生产的集成动态随 机存贮器 28F640J5 合为一组来存贮数据，具有共同 的地址寄存器， 但每一片 RAM 都有自己的数据缓 冲触发器。 在 ADC 工作时，被转换完成后的数据出 现在锁存数据线上。 这时数据触发器在外界时钟触 发下，被锁存在其输出端 ，这时可写入 其后的 RAM 存贮器内。 ADC 转换器发出的数据不断地有秩序的 送到并列的 3 组数据触发器上，然后再周而复始，只 要依次选通数据触发器，转换数据得到暂存，每个数
高速运作状态， 其外围的逻辑控制电路均采用高速 器 件 。 A/D 转 换 器 采 用 高 速 12 位 A/D 转 换 器 AD9230 来实现。 AD9230 是一款 12 位单芯片模数转 换器，内置跟踪保持电路，采样速率可高达 250 Msps， 满功率模拟带宽为 700 MHz。
对于高速 ADC 器件， 要想及时读取转换数据， 确保不丢失 （这在分布式光纤测温中是必须的），需 要高速、可靠的数据传输。 另外，分布式光纤测温系 统中信号的数据采集具有间歇性。对一个 2 km 的系 统，若激光器以 10 kHz 信号触发 ，则激光脉冲 信号 周期为 100 μs。 由式（1）可知：一次测量中，测完最 后一个测量点所需的时间为 20 μs， 即 ADC 需且只 需在脉冲周期的前 20 μs 采样。 因此，必须设计专门 的数据采集电路。
就是将探测器输出信号尽可能地去除噪声和干扰，
得到准确快速的温度显示和温度数据。 传统系统采
用 了 设 置 定 标 区 的 方 法 ， 可 以 消 除 Anti-Stokes 和
Stokes 光信号传输过程中散射系数、 光滤波因子和
APD 响应度差异对测量结果的影响，从而得到温度
测量的公式［3］
1 ＝ 1 － k ln［ R（T） ］
摘要： 根据分布式光纤温度传感器被测信号的特殊性，在常规微弱信号检测的基础上，提出了一种专门的、针对分布式光纤温
度传感器系统的微弱信号检测方案，采用软、硬件结合的方案，能够在强噪声下有效地提取微弱信号，以求得尽可能大的信号噪
声比，而所需的器件与设备极为通用，相对成本较低，检测整个过程完成的时间也较短，具有较高的实用性。
ZHOU Yun1， YANG Jiang-li2
（1. School of Electric & Communication Engineering， Xi’an Institute of Technology， Xi’an 710032， China； 2. Xi’an Shiky High Voltage Electric Co.， Ltd.， Xi’an 710018， China）
（1）
T θ hcμ R（θ）
式（1）中，h 是普朗 克常 数 ，c 是 光 速 ，μ 是 波 数 偏 移
量，k 是波尔兹曼常数，θ 是定标区的温度，T 是绝对
温度。 式（1）是分布式光纤温度测量的重要理论基
础。但式（1）中还存在两种不同波长光的衰减差异和
探测器对两种波长光信号的响应差异， 为此在实际
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Vol.45 No.4 Aug. Vol2.40509 No.4
基于分布式光纤温度传感器的高压电力电缆温度在线监测系统
周 芸 1， 杨奖利 2
（1. 西安工业大学电信学院， 陕西 西安 710032； 2. 西安西开高压电气股份有限公司， 陕西 西安 710018）